表面工程技術對航空發動機製造有多重要？

航空發動機作為飛機制造的重點，加工技術不斷升級。本文主要介紹表面工程技術在航空發動機製造中的應用，並介

紹該技術在未來發展中的應用重點。

航空發動機

被稱為

飛機的心臟

，它有高溫、高壓、高轉速和高負荷的特點。為了提高航空發動機零部件在極端條件下工作的可靠性，航空發動機製造技術一方面採用了新結構、新材料，另一方面也提出了新工藝和新技術來滿足新型發動機的製造要求。

近年來，

表面工程技術

在發動機製造行業中得到了逐步重視和提高，並不斷進行研發和應用，使得零件的工藝效能得到很大改善。

在提高葉片、渦輪盤和軸類部件的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化及抗疲勞強度等方面發揮了關鍵作用。

特別是在改善材料表面性能、延長零件使用壽命、節約資源、提高生產力以及減少環境汙染等方面已取得顯著的效果，是航空發動機製造中不可缺少的新生技術。

1.表面工程技術在航空發動機製造中應用

表面工程技術是將零件表面經過預處理後，透過表面塗覆、表面改性或多種表面技術複合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀況，以獲得表面所需效能的系統工程。目前在航空發動機製造行業中應用較早，且比較成熟的技術主要有以下幾方面。

（1）噴丸強化技術即將鋼丸（或玻璃丸）高速噴射於金屬表面，利用鋼丸的衝擊和摩擦作用，清除金屬表面的鐵鏽及其他汙染，並得到一定粗糙度，顯露金屬本色的表面。更重要的是，利用鋼丸對金屬表面的衝擊作用使零件表面硬化，生成0。1～0。4mm厚的硬化層，增加零件表面對塑性變形和斷裂的抵抗能力，並使表層產生壓應力，提高抗腐蝕性和抗疲勞強度。同時透過噴丸強化可以彌補零件表面的微細裂紋缺陷，這對加工中形成的、工程上的探傷靈敏度無法發現的表面微裂紋有非常好的彌合作用。如圖1所示，噴丸強化技術可顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲勞、抗應力腐蝕及抗微動磨損、耐腐蝕以及抗接觸疲勞能力。

圖1 噴丸強化

噴丸強化技術產生於20世紀初的美國，20世紀80年代後，

噴丸處理技術在大多數工業部門得到推廣和應用，並在航空發動機製造中得到重視。

90年代我國逐步從國外購置先進的數控噴丸裝置，能夠進行玻璃丸、鋼丸及陶瓷丸等噴丸強化加工，已具備了多功能，多丸粒型別噴丸加工能力。

（2）等離子噴塗技術是利用高溫、高速的等離子焰流作為熱源，在焰流中加入金屬或合金粉末等塗覆材料，瞬間熔化後以很高的速度噴塗到事先處理過的工件表面上，獲得金屬塗層或難熔合金塗層的一種加工方法。如圖2所示，等離子噴塗的塗層緻密，粘結強度高，是繼火焰噴塗之後大力發展起來的一種多用途的精密噴塗方法，能夠提高工件表面耐高溫效能、抗氧化性和耐磨效能。

圖2 噴塗技術

20世紀80年代，美國、瑞士等國家率先在等離子噴塗技術上研發成功並投入生產，被廣泛應用於發動機熱端渦輪工作葉片和導向葉片部件的優質高溫防護塗層的製備，在發動機關鍵部件的隔熱、高溫防護、耐磨、嚴封及阻燃等方面起到很重要的作用。

20世紀90年代初，我國從瑞士、美國等發達國家引進等離子噴塗技術和裝置，目前對噴塗工藝積累了寶貴的專業經驗，在熱噴塗技術的應用中逐步建立起包含等離子噴塗、低壓等離子噴塗、火焰噴塗、超音速火焰噴塗和爆炸噴塗等表面塗覆技術體系。

（3）氣相沉積技術是一種發展迅速，應用廣泛的表面技術，它利用氣相之間的反應，在各種材料或製品表面沉積以製備各種特殊力學效能的薄膜塗層，如超硬、高耐腐蝕、耐熱和抗氧化性等。在航空發動機製造中，電子束物理氣相沉積技術和多弧離子鍍技術已成功應用在熱障塗層和抗氧化塗層的製備生產中。

我國在21世紀初從烏克蘭、俄羅斯及瑞士先後引進該類裝置，已在航空發動機渦輪葉片隔熱塗層、防腐蝕抗氧化塗層的研發和應用中建立了堅實的技術基礎，積累了豐富的經驗，但還需在研發新塗層方面繼續開展工作。

2.表面工程技術在發動機製造中的發展

近幾年，隨著航空工業製造技術的迅猛發展和需求，人們對錶面工程技術的認識得到進一步的提高，並開發了多種新工藝，下面進行簡述。

（1）鐳射熔覆技術是近年來發展起來的新工藝，如圖3所示。將兩種或兩種以上不同性質的材料透過鐳射束加熱，使其熔合在一起，充分發揮各自優良效能工藝方法，鐳射熔覆具有加熱速度和冷卻速度快的特點。獲得的熔覆層顯微組織很細，強度高，效能明顯優於其它熔覆層，利用該項技術將在發動機整體葉盤修復技術中取得突破。

圖3 鐳射熔覆技術

（2）鐳射強化技術是利用高峰值功率密度（GW/cm2）短脈衝（幾十納秒）鐳射輻射在塗有吸收層的金屬表面，與表面塗層材料發生相互作用產生高壓（GPa）等離子體，進而產生高壓衝擊波，並在金屬表層形成穩定、密集的位錯結構，形成表層應變硬化及壓應力，從而提高材料的疲勞強度和抗應力腐蝕等效能。鐳射衝擊強化具有高壓、高能、超高應變率的特點，已在抑制噴氣發動機零件裂紋的工程中得到應用，是未來表面強化工程技術的發展新方向。

（3）超聲噴丸技術是透過超聲波使彈丸產生機械振動，從而驅動彈丸對工件進行噴丸處理的工藝。超聲噴丸可以獲得比傳統噴丸更深殘餘壓應力層，且殘餘壓應力的數值也更大，同時表面粗糙度也好於傳統噴丸。對於發動機複雜型面的零件強化和區域性噴丸處理，超聲噴丸將具有顯著的優勢和很大的發展潛力。

3.結語

為了促進航空發動機製造技術的提升，滿足新型發動機的高質量、高效率和高標準的製造要求，表面工程技術還必須不斷變革、創新和全面應用。目前，雖然我們在該技術領域取得不小的成績，但我們與發達國家、與國際領先發展水平還有著相當的差距。關鍵把關裝置受西方國家封鎖；很多關鍵前沿裝置都在院所進行製造，技術和裝置無法工程化應用；前沿製造技術儲備不足；關鍵製造技術成熟度較低。所以，對我們來說，未來的使命任重而道遠。